機械加工表面質(zhì)量(二)

1、機械加工表面質(zhì)量（二）機械加工表面質(zhì)量（二） 表面層加工硬化表面層加工硬化 表面層的殘余應(yīng)力表面層的殘余應(yīng)力 表面層金相組織變化與磨削燒傷表面層金相組織變化與磨削燒傷 提高和改善零件表面層物理力學(xué)性能的措施提高和改善零件表面層物理力學(xué)性能的措施 機械加工中的振動機械加工中的振動 教學(xué)目的 1、了解表面層殘余應(yīng)力、金相組織變化等有關(guān)含義、了解表面層殘余應(yīng)力、金相組織變化等有關(guān)含義 及產(chǎn)生的原因；掌握加工硬化、磨削燒傷的含義；及產(chǎn)生的原因；掌握加工硬化、磨削燒傷的含義； 掌握影響加工硬化、殘余應(yīng)力、磨削燒傷的主要因掌握影響加工硬化、殘余應(yīng)力、磨削燒傷的主要因 素及改善措施；素及改善措施； 2、了解

2、提高和改善零件表面層物理力學(xué)性能的措施；、了解提高和改善零件表面層物理力學(xué)性能的措施； 了解機械加工過程中振動現(xiàn)象；掌握常見的幾種振了解機械加工過程中振動現(xiàn)象；掌握常見的幾種振 動形式；動形式； 表面層物理力學(xué)性能包括三個方面：表面層的加 工硬化；表面層的殘余應(yīng)力；表面層金相組織變化與 磨削燒傷。本節(jié)主要從這三個方面講解有關(guān)概念、影 響因素及所采取措施。 一、表面層的加工硬化一、表面層的加工硬化 1加工硬化的產(chǎn)生 加工表面除受力變形外，還受到機械加工中產(chǎn)生的切削熱的影響。切 削熱在一定條件下會使金屬在塑性變形中產(chǎn)生回復(fù)現(xiàn)象，使金屬失去加工 硬化中所得到的物理力學(xué)性能，這種現(xiàn)象稱為軟化。 加工硬

3、化的產(chǎn)生理由： 硬化 軟化 機械加工過程中，工件表面后金屬受切削力作用，產(chǎn)生強烈的塑性 變形、使金屬的晶格扭曲，晶粒被拉長、纖維化甚至破碎而引起的表面 層的強度和硬度增加，塑性降低，物理性能（如密度、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性 等）也有所變化。這種現(xiàn)象稱為加工硬化，又稱作冷作硬化或強化。 因此，金屬在加工過程中最后的加工硬化，取決于硬化速度與軟化速 度的比率。 1)表面層的顯微硬度HV 2)硬化層深度h0 3)硬化程度N HV0 金屬原來的顯微硬度 2加工硬化的衡量指標加工硬化的衡量指標 3影響加工硬化的因素影響加工硬化的因素 磨削時，磨削深度和縱向 進給速度 ，磨削力 ，塑性 變形加劇，表面冷硬趨向 。

4、 1)切削力，塑性變形 ，硬化程度和硬化層深度 。如： 切削時進給量 ，切削力 ，塑性變形程度 ，硬化程度 ； 刀具的刃口圓角和后刀面 的磨損量增大，塑性變形 ， 冷硬層深度和硬化程度隨之 。 各種機械加工方法在加工鋼件時表面加工硬化的情 況如下表所示。 2) 切削溫度，軟化作用，冷硬作用。如： 切削速度增大，會使切削溫度升高，有利于軟化； 磨削時提高磨削速度和縱向進給速度，有時會使磨削區(qū)產(chǎn) 生較大熱量而使冷硬減弱。 3) 被加工材料的硬度低、塑性好，則切削時塑性變形越大，冷 硬現(xiàn)象就越嚴重。 二、表面層的殘余應(yīng)力二、表面層的殘余應(yīng)力 l、表面層殘余應(yīng)力及其產(chǎn)生的原因、表面層殘余應(yīng)力及其產(chǎn)生的

5、原因 (1)冷態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力 (2)熱態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力 (3)金相組織變化引起的殘余應(yīng)力 表面層殘余應(yīng)力 外部載荷去除后，工件表面層及其與 基體材料的交界處仍殘存的互相平衡的應(yīng)力。 表面層殘余應(yīng) 力產(chǎn)生的原因 當(dāng)?shù)毒邚谋患庸け砻嫔先コ饘贂r，由于后刀面的擠、壓和摩擦作用， 加大了表面層伸長的塑性變形，表面層的伸長變形受到基體金屬的限制，也 在表面層產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力。 在切削力作用下，已加工表面產(chǎn)生強烈 的塑性變形。表面層金屬比容增大，體積膨 脹，與它相連的里層金屬的阻止其體積膨脹； 里層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力表面層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力 結(jié)果：結(jié)果： (1)冷態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力冷態(tài)塑性

6、變形引起的殘余應(yīng)力 磨削溫度越高，熱塑性變形越大，殘余拉應(yīng)力也越大，有 時甚至產(chǎn)生裂紋。 在切削熱作用下產(chǎn)生熱膨脹 金屬基體溫度較低 工件加工表面 表層產(chǎn)生 熱壓應(yīng)力 切削時 切削過程結(jié)束時 溫度下降，已產(chǎn)生熱塑性變形的表層收縮 基體表層收縮 結(jié)結(jié) 果果 表面 產(chǎn)生 殘余 拉應(yīng) 力 (2)熱態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力熱態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力 如：馬氏體密度為7.75 g/cm3，奧氏體密度為7.96 g/cm3， 珠光體密度為7.78 g/cm3，鐵索體密度為7.88 g/cm3； 切削時產(chǎn)生的高溫會引起表面層金相組織變化。因為不同 的金屬組織，它們的密度不同，因而引起的殘余應(yīng)力。 以淬火鋼磨

7、削為例 淬火鋼原來的組織是馬氏體7.75 g/cm3 磨削加工后 表層可能產(chǎn)生回火，馬氏體變?yōu)橹楣怏w7.78 g/cm3 密度增大而體積減小 表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力 導(dǎo)致 結(jié)果 (3)金相組織變化引起的殘余應(yīng)力金相組織變化引起的殘余應(yīng)力 機械加上后表面層的殘余應(yīng)力，是由冷態(tài)塑性變形、熱態(tài) 塑性變形和金相組織變化這三方面原因引起的綜合結(jié)果。在一 定條件下，其中某種或兩種因素可能起主導(dǎo)作用。 磨削時起主導(dǎo)作用的是“熱”。 磨削用量 工件材料及熱處理規(guī)范 首要因素 影響磨削裂紋的因素 2、 影響表面層殘余應(yīng)力及磨削裂紋的因素：影響表面層殘余應(yīng)力及磨削裂紋的因素： 磨削碳鋼時，含碳量越高，越容易產(chǎn)生裂紋；

8、 當(dāng)碳的質(zhì)量小于0.6至0.7時，幾乎不產(chǎn)生裂紋； 淬火鋼晶界脆弱，滲碳、滲氮鋼受溫度影響大，磨削時易產(chǎn)生裂紋。 磨削用量對磨削裂紋影響 粗磨時，表面產(chǎn)生極淺的殘余壓應(yīng)力，接著 就是較深且較大的殘余拉應(yīng)力，這說明表面產(chǎn)生 了一薄層一次淬火層，下層是回火組織。 精細磨削時，溫度影響很小、更沒有金 相組織變化，主要是冷態(tài)塑性變形的影響， 故表面產(chǎn)生淺而小的殘余壓應(yīng)力； 精磨時，熱塑性變形起了主導(dǎo)作用，表面 產(chǎn)生很淺的殘余拉應(yīng)力； 磨削裂紋與工件材料及熱處理規(guī)范的關(guān)系 三、表面層金相組織變化與磨削燒傷三、表面層金相組織變化與磨削燒傷 1表面層金相組織變化與磨削燒傷原因表面層金相組織變化與磨削燒傷原因

9、 對于磨削加工來說，由于單位面積上產(chǎn)生的切削熱比一 般切削方法要大幾十倍，易使工件表面層的金相組織發(fā)生變 化，從而使表面層的硬度和強度下降，產(chǎn)生殘余應(yīng)力甚至引 起顯微裂紋。這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷磨削燒傷。 機械加工過程中，在工件的加工區(qū)及其鄰近的區(qū)域，溫度 會急劇升高，當(dāng)溫度超過工件材料金相組織變化的臨界點，就 會發(fā)生金相組織變化。對于一般切削加工而言，溫度還不會上 升到如此程度。 磨削燒傷時，表面因磨削熱產(chǎn)生氧化層厚度不同，出現(xiàn)黃、 褐、紫、青等顏色的變化，使零件的性能和使用壽命大為降低， 將嚴重地影響零件的使用性能甚至不能使用 。 盡可能減少磨削熱的產(chǎn)生； 改善冷卻條件，盡量使產(chǎn)生的熱量少傳

10、入工件。 磨削熱是造成磨削燒傷的根源，故改善磨削燒傷可有兩個途徑： (1)合理選擇磨削用量 (2)工件材料 (3)砂輪的選擇 (4)冷卻條件 改善措施 2、影響磨削燒傷的因素及其改善措施：、影響磨削燒傷的因素及其改善措施： 磨削深度，工件縱向進給量和工件速度 ，砂輪與工件表 面接觸時間相對，因而熱的作用時間 ，磨削燒傷 。 為減輕燒傷而同時又保持高的生產(chǎn)率、一般選用較大的 工件速度和較小的磨削深度。同時，為了彌補因增大工件速 度而造成表面粗糙度值增大的缺陷，可以提高砂輪速度。 (1)合理選擇磨削用量 但： 磨削深度，生產(chǎn)率； 工件縱向進給量和工件速度，表面粗糙度值。 實踐證明，同時提高砂輪速度

11、和工件速度，可以避免燒傷。 解決辦法： (2)工件材料 工件材料對磨削區(qū)溫度的影響主要取決于它的硬度、強 度、韌性和熱導(dǎo)性。 硬度、強度越高，韌性越大，磨削熱量越多； 導(dǎo)熱性差的材料，如耐熱鋼、軸承鋼、不銹鋼等。 在磨削 時易產(chǎn) 生燒傷 軟砂輪較好，對于硬度太高的砂輪，鈍化砂粒不易脫落， 容易產(chǎn)生燒傷。 (3)砂輪的選擇 一般來說，選用粗粒度砂輪磨削，不容易產(chǎn)生燒傷。 砂輪結(jié)合劑最好采用具有一定彈性的材料，如樹脂、橡膠等。 采用切削液帶走磨削區(qū)的熱量可以避 免燒傷。 (4)冷卻條件 磨削時，一般冷卻效果較差，由于高 速旋轉(zhuǎn)的砂輪表面上產(chǎn)生強大氣流層， 實際上沒有多少切削液能進入磨削區(qū)。 增加切

12、削液的流量和壓力 采用特殊噴嘴 采用多孔性砂輪 比較有效的冷卻方法 將切削液 大量地噴 注在已經(jīng) 離開磨削 區(qū)的工件 表面上。 四、提高和改善零件表面層的物理力學(xué)性能的措施四、提高和改善零件表面層的物理力學(xué)性能的措施 (一一)零件破壞形式和最終工序的選擇零件破壞形式和最終工序的選擇 因此，最終工序加工方法的選擇，須考慮零件的具體工作 條件及零件可能產(chǎn)生的破壞形式。 一般來說，零件表面殘余應(yīng)力的數(shù)值及性質(zhì)主要取決于零 件最終工序加工方法的選擇。 1疲勞破壞 2滑動磨損 3滾動磨損 零件破壞形式 零件表面層金屬的殘 余應(yīng)力將直接影響機 器零件的使用性能。 從提高零件抵抗疲勞破壞的角度考慮，最終工序

13、應(yīng)選擇能 在加工表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力的加工方法。 1. 疲勞破壞 機器零件表面上局 部 產(chǎn) 生 微 觀 裂 紋 在交變載荷 的 作 用 下 拉應(yīng)力 作用下 原生裂 紋擴大 導(dǎo)致零 件破壞 滑動摩擦的機械作用 物理化學(xué)方面的綜合作用 2滑動磨損 指的是兩個零件作相對滑動，滑動面逐漸磨損的現(xiàn)象。 滑動磨損機理 粘接磨損 擴散磨損 化學(xué)磨損 從提高零件抵抗滑動摩擦引起的磨損考慮，最終工序應(yīng) 選擇能在加工表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的加工方法。 從抵抗粘接磨損、擴散磨損、化學(xué)磨損考慮對殘余應(yīng)力 的性質(zhì)無特殊要求時，應(yīng)盡量減小表面殘余應(yīng)力值。 滑動摩擦工作應(yīng)力分布如圖所示。 當(dāng)表面層的壓縮工作應(yīng)力超過材料 的許用應(yīng)

14、力時，將使表面層金屬磨損。 改善措施 3滾動磨損 指的是兩個零件作相對滾動，滾動面將逐漸磨損的現(xiàn)象。 滾動磨損來自 滾動摩擦的機械作用 物理化學(xué)方面 綜合作用 從提高零件抵抗?jié)L動摩擦引起的磨損 考慮，最終工序應(yīng)選擇能在表面層下深h處 產(chǎn)生壓應(yīng)力的加工方法。 滾動磨損的決定性因素 是表面層下深h處的最大拉應(yīng)力。 最終工序加工方法的選擇可參考下表 各種加工方法在工件表面殘留的內(nèi)應(yīng)力情況。 (二)表面強化工藝 由前述可知，表面質(zhì)量尤其是表面層的物理力學(xué)性能，對 零件的使用性能及壽命影響很大，如果最終工序不能保證零件 表面獲得預(yù)期的表面質(zhì)量要求，則可在工藝過程中增設(shè)表面強 化工序，以改善表面性能。 1

15、、 表面強化工藝是指通過冷壓加工方法使表面層金屬發(fā)生冷 態(tài)塑性變形，以降低表面粗糙度值，提高表面硬度，并在表面 層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。這種方法工藝簡單、成本低廉，應(yīng)用廣泛。 噴九強化 滾壓加工 液體磨料強化等 2、表面強化常用工藝方法 五、機械加工中的振動現(xiàn)象五、機械加工中的振動現(xiàn)象 (一一) 機械振動的分類機械振動的分類 1自由振動 2強迫振動 3自激振動 (一) 機械振動的分類 自由振動指的是當(dāng)系統(tǒng)受到初始干擾力作用而破壞了其平衡狀態(tài)后，系統(tǒng)僅 靠彈性恢復(fù)力來維持的振動。 1自由振動 在切削過程中，加工材料硬度不均或工件表面有缺陷，都會引起自 由振動，但由于阻尼作用，振動將迅速減弱，因而對機械

16、加工影響不大。 振動的頻率就是系統(tǒng)的固有頻率； 自由振動將逐漸衰減。由于系統(tǒng)中總存在阻尼 特點 產(chǎn)生原因 本節(jié)主要討論機械加 工過程中強迫振動和 自激振動的規(guī)律。 既可指工藝系統(tǒng)以外 也可指工藝系統(tǒng)內(nèi)部由刀具和工件組成的切削系統(tǒng) 2強迫振動 強迫振動 由外界周期性激振力引起和維持的振動。 外界 在定條件下，由振動系統(tǒng)本身產(chǎn)生的交變力激發(fā)和維 持的一種穩(wěn)定的周期性振動稱為自激振動。 質(zhì)量、彈簧和阻尼以外 3自激振動 (1)影響零件的表面質(zhì)量 振動破壞了工藝系統(tǒng)的各種成形運動， 使工件與刀具的相對位置發(fā)生周期性的改變，因而振動頻率低 時產(chǎn)生波度，振動頻率高時將增大表面粗循度值。 (2)影響生產(chǎn)率 為了避免發(fā)生振動或減小振動，有時不得不降 低切削用置，從而限制和影內(nèi)生產(chǎn)率的提高。 (3)影響機床、夾具和刀具壽命 振動使刀具受到附加動載荷， 加速刀具磨損，有時甚至發(fā)生崩刃；同時振動使機床、夾具等 零件的連接部分松動，從而增大間隙，降低剛度和精度，縮短 其使用壽命。 (4)振動噪聲污染工作環(huán)境 由于高頻振動會發(fā)出刺耳的尖叫聲， 造成噪聲污染，危害操作者的身心健康。 振動對加工質(zhì)量和生產(chǎn)率有很大影響，主要表現(xiàn)在: (二二)振動對機械加工的影響振動對機械加工的影響 通常，機械加工過程中產(chǎn)生的振動對機械加工來講是十分 有害的。 近來，對切削機理進